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浙江工业大学硕士学位论文 脉动流化干燥过程研究 摘要 气流脉动流化干燥是指按一定规律变化流化气速的干燥技术。与 普通流化干燥相比，对于大颗粒物料在降速干燥段的干燥，气流脉动 流化干燥具有高效节能的特点。温度脉动干燥是按一定规律变化介质 温度的干燥技术。其中变风温干燥在生产中得到了较好的应用，在一 定条件下可以提高干制品品质，节约能量。在流化干燥过程中同时( 或 单独) 按一定的规律变化气流速度和( 或) 温度的脉动流化干燥，可 望取得更好的效果。 在自行设计建立的低频矩形波脉动流化干燥实验装置上，对粒径 为3 3 5 7 m m 的球形均质多孔颗粒进行了正交和单因素实验研究。正 交实验研究了颗粒粒度、高温气体进风温度、高温气体气流速度、高 温气体通风时间、低温气体进风温度、低温气体气流速度、低温气体 通风时问对颗粒湿含量d q 4 1 降至1 6 所需的干燥时间和单位能耗的 影响。单因素实验研究了进风温度、流化气速、脉动周期、通断比对 干燥速率、单位能耗、床层终温度、颗粒湿含量由4 3 降至1 8 和1 3 所需的干燥时间和单位能耗的影响规律。结果表明： 1 大颗粒多孔物料在降速干燥阶段采用低频脉动流化干燥可以提 高干燥速率、降低能耗、降低物料温度。 2 实验范围内，干燥速率随进风温度、流化气速、通断比的增加 浙江工业大学硕士学位论文 而增加，当通断比为3 ：l 脉动周期为1 2 0 s 、1 5 0 s 时，第二降速干燥阶段 干燥速率高于普通流化床； 3 实验范围内，单位能耗随进风温度、脉动周期和通断比的增加 而减小，气流速度存在最优值；当气流速度为4 0 m s 、进风温度为1 1 5 c 、 脉动周期为1 5 0 s 、通断比为3 ：1 时，脉动流化干燥比相同进风温度、 气流速度下的普通流化床干燥节约能量4 0 。 在总结前人研究的干燥模型基础上，修正了脉动流化干燥数学模 型，建立了床层终温度的回归模型： l n ( 一l n m r ) = l q l n ( i n t ) + 屯 瓦= - 7 4 2 9 6 7 + o 8 4 4 8 9 1 五+ 2 8 6 v - 0 0 2 4 4 6 t + 2 9 5 1 7 9 4 孝 经验证，模型较准确地反映了脉动流化干燥过程的规律。 关键词：气流脉动流化干燥，变风温干燥，正交实验，数学模型 浙江工业大学硕士学位论文 s t u d yo nd r y 玳gp r o c e s s i nt h ep u l s e df l u i d i z e db e d a b s t r a c t f l u i d i z e x ib e dd r y i n go fp u l s a t i n ga i r f l o wi sad r y i n gt e c h n o l o g y ，i n w h i c ht h ea i rv e l o c i t yv a r i e sf o l l o w i n gs o m ep e r i o d i cl a wi nt h ea p p a r a t u s c o m p a r i n gw i t ht h ec o n v e n t i o n a lf l u i d i z e db e d ，ad r y m g m e t h o do fe n e r g y s a v i n gi sp r o v i d e df o rt h ea l o w d o w nd r y i n gp r o c e s so fg r a n u l a rm a t e r i a l ， u s i n gt h ef l u i d i z e db e dd r y i n go fp u l s a t i n gn i l f l o w p u l s a t i n gt e m p e r a t u r e d r y i n gi sad r y i n gt e c h n o l o g yw h i c ht h ea i rt e m p e r a t u r ec h a n g e sa c c o r d i n g t oc e r t a i nm o d e l s ，u s i n ga l t e r n a t i n ga i rt e m p e r a t u r ed r y i n g ，t h ep r o d u c t i o n q u a l i t yc a nb ei m p r o v e da n dt h ee n e r g yc a nb es a v e d ，w h i c hh a sb e e n w i d e l yu s e di nm a n ya r e a s i ti sh o p e dt h a tt h ep u l s o f l u i d i z e db e dd r y i n g w i l lh a v ee f f e c ti nt h ed r y i n gp r o c e s s ，i nw i t c ht h ea i rv e l o c i t ya n d ( o f ) t h e a i rt e m p e r a t u r ew i l ls y n c h r o n o u s l y ( s e p a r a t e l y ) v a r i e sf o l l o w i n gs o l n e p e r i o d i cl a wi nt h ea p p a r a t u s t h ed r y i n gp r o c e s so fs p h e r a lp a r t i c u l a rm a t e r i a l sh a v eb e e ns t u d i e d ， a c c o r d i n gt ot h eo r t h o g o n a la n ds i n # ef a c t o re x p e r i m e n t , i nw i t c ht h e d i a m e t e ro fp a r t i c l e sw e r e3 3 m m 5 7 m ma n dt h ep a r t i c l ei sp r o d u c e db y p o r o u sm a t e r i a l s ，w h i l et h ee x p e r i m e n t a la p p a r a m sw a sap u l s o f l u i d i z e d b e dd r y e rw i t hl o w f r e q u e n c yr e c t a n g u l a rw a v e s e v e np a r a m e t e r s i n c l u d i n gt h ed i a m e t e ro fp a r t i c l e ，t h ei n l e ta i rt e m p e r a t u r eo fh o tb l a s t ，t h e a i rv e l o c i t yo fh o tb l a s t ，t h et i m eo fh o ta i rb l o w ，t h ei n l e ta i rt e m p e r a t u r eo f c o a lb l a s t ，t h ea i rv e l o c i t yo fc o a lb l a s ta n dt h et i m eo fc o a la i rb l o wh a v e m 浙江工业大学硕士学位论文 b e e ns t u d i e dt h ee f f e c to nt h ed r y i n gt i m ea n dt h ee n e r g ye x p e n s ew h e nt h e m o i s t u r ec o n t e n to fp a r t i c l ef r o m4 1 t o1 6 ，u s i n gt h eo r t h o g o n a l e x p e r i m e n t b e s i d e s ，a n o t h e r f o u r p a r a m e t e r si n v o l v i n g i n l e ta i r t e m p e r a t u r e ，t h ef l u i d i z i n gf l o w r a t e ，t h et i m eo fap u l s a t ec y c l ea n dt h e o w o f ft i m ep r o p o r t i o no fa i rb l o wh a v eb e e ni n v e s t i g a t e dt h ei n f l u e n c eo n t h ed r y i n gr a t e ，t h eu n i te n e r g ye x p e n s e ，t h eb e dt e m p e r a t u r ew h e nt h ee n d o fd r y i n g ，t h ed r y i n gt i m e ，t h et o t a la n du n i te n e r g ye x p e n s ew h e nt h e m o i s t u r ec o n t e n to fp a r t i c l ef r o m4 3 t o1 8 o r1 3 ，d e p e n d i n go nt h e s i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa sf o l l o w ： 1 d r y i n gr a t e so ft h ep u l s o f l u i d i z e db e dd r y i n gw h i c ht h ea i rv e l o c i t y v a r i e sf o l l o w i n gl o wf r e q u e n c yc a l lb ei n c r e a s e di nt h ep r o c e s so f s l o w d o w nd r y i n gf o rt h eg r a n u l a rm a t e r i a l ，w h i l et h ee n e r g ye x p e n s eo f d r y i n ga n d t h et e m p e r a t u r eo fm a t e r i a lc a n b ed e c r e a s e di nt h i ss y s t e m 2 d r y i n gm t ei si n c r e 勰e dw i mt h ei n l e ta i rt e m p e r a t u r e t h ef l u i d i z i n g f l o w r a t ea n dt h eo n o f ft i m ep r o p o r t i o no fa i rb l o w ，t h ed r y i n gr a t eo f p u l s o f l u i d i z e db e dd r y i n gi sr a p i d l yt h a nt h ec o n v e n t i o n a lf l n i d i z e db e di n t h e p r o c e s so fs l o w d o w nd r y i n gw h e nt h eo n o f ft i m ep r o p o r t i o ni s3 ：1 ，t h e t o t a lt i m eo f o n o f f p e r i o d si s1 2 0 sa n d1 5 0 s ，i nt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n 3 t h eu n i te n e r g yd i s s i p a t i o ni sd e c r e a s e d i n c r e a s i n gw i t ht h ei n l e ta i r t e m p e r a t u r e , t h et o t a lt i m eo fo n o f fp e r i o d sa n dt h eo n o f ft i m ep r o p o r t i o n o fa i rb l o w ，w h i l eo p t i m u ma i r v e l o c i t y i s e x i s t ，i nt h ee x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n t h ee n e r g yd i s s i p a t i o no fp u l s o f l u i d i z e db e dd r y i n gi s4 0 l e s s t h a nt h a to ft h ec o n v e n t i o n a lf l u i d i z e db e da tt h es f l n ：l ea i rt e m p e r a t u r ea n d v e l o c i t y ，w h e nt h ea i rv e l o c i t yi s4 m s ，t h ei n l e ta i rt e m p e r a t u r ei s 11 5 c ， t h et o t a lt i m eo fo n o f fp e r i o d si s1 5 0 s ，t h eo n o f ft i m ep r o p o r t i o ni s3 ：1 t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fd r y i n gh a sb e e nm o d i f i e d ，a n dar e c u r s i v e m o d e lo fb e dt e m p e r a t u r ea tt h ee n do fe x p e r i m e n th a sb e e ne s t a b l i s h e di n i v 浙江工业大学硕士学位论文 t h ep u l s e df l u i d i z e db e dd r y i n g ，a sf o l l o w s ： 1 n ( - i n m r ) = t q l n ( i n t ) + t 2 瓦= - - 7 4 2 9 6 7 + 0 8 4 4 8 9 1 t t + 2 8 6 v - o 0 2 4 4 6 t + 2 9 5 1 7 9 4 善 i tp r o v e dt h a tt h ec h a n g eo fm o i s t u r ec o n t e n to ft h em a t e r i a la n dt h e t e m p e r a t u r ec a l lb ep r e d i c t e de x a c t l yb yt h em a t h e m a t i c a lm o d e li nt h e d r y i n gp r o c e s sa c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e yw o r d s ：f l u i d i z e db e dd r y i n go fp u l s a t i n ga i r f l o w ，p u l s a t i n g t e m p e r a t u r ed r y i n g ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，m a t h e m a t i c a lm o d e l v 浙江工业大学硕士学位论文 符号说明 物料表面积，m 2 6 广一系数( i = 1 ，2 ) 卜床层横截面积，m 2 r 形状系数，圆形颗粒时为2 c ，定压比热，d ( k g 置) d 。颗粒直径，m d 扩散系数，m 2 h - 1 驴一总能量；j ，脉冲频率，h z 矗脉冲最佳频率， 砰一床层高度 广重力加速度，m s 2 扣一总传热系数，w ( m ) 气化潜热， k 9 1 日，床层膨胀的最大高度，m 日o 静止床高度，m 广_ 一加长器长度，m _ 一床层静止高度，m 玎广一床层质量，k g 湿物料中绝干物料质量，】【g 0 湿物料中湿分质量，硌 一水舭m r = 最 扣啥水率， m r 平衡含水率，d b v m 枷一初始含水率，d b ，r l o 哩物料需加入水的质量，g r 压力，p a p 热功率，w a p 床层压降，p a p 床层下气体压力，p a 9 一床层气体流量，m 3 s 口一单位能耗，k j i k g h 2 0 r _ 颐粒半径，m 厂一状态方程指数( 空气是1 4 ) r j 床层半径( j = l ，2 ) ，m 2 卜相关系数 & 水平为口时相关系数 瓦床层运动的冲程，m 卜干燥时间，s o 导通脉冲持续时间，s 0 关闭脉冲持续时间，s 床层精致时间，s 产? 共振周期，s 互热风温度， 气流速度，m s 床层平均风速，m s 【o 床层最小流化速度，m s 【卜表观气速，m s 浙江工业大学硕士学位论文 u ，表观脉冲气速，m s v 气流速度，m s p - 床层下方气体体积，m 3 b 脉冲期的气流表观速度，m s v 品初始流化的气泡上升速度，m s y 0 初始流化时的表观速度，m s w 物料湿基含水率，w b 希腊符号 国共振频率h z c 颗粒总滞留时间，s 颗粒向上运动中的滞留时间，8 气。颗粒下落运动中的滞留时间8 f 一个脉冲周期t 中阀全开允许 气流通过时间，s 以颗粒密度，k g m 3 上标 锋积平均表征值 下标 d _ 初始，或最佳 r 嚷示普通流化床 产一表示流态化状态 删已_ ? 表示临界流态化状态 p 一表示脉冲流化床 坍口r 嚎示最大值 动力消耗功率，w 平衡含水率，w b 物料初始含水率，w b _ 干基湿含量，d b 巧各测量点对应风速( j _ l ，2 ，3 ， 4 5 ) 。m s b 气体密度，k g m 3 矽形状系数 占物料介电常数，水为8 0 善通断比 刁全压效率 卜下标空间节点 叼平衡 堋一导通 叨一关闭 印一向上 d o w ，r 一下落 r 气态 浙江工业大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 商两 l e t 期：年月日 日期：加7 年彳月g e t 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 干燥是化学工程中出现最早、应用最广，也是耗能最多的单元操作之一。干 燥作为加工过程的一个重要环节，已经广泛地应用于化工、轻工、冶金、石油、 农业、林业、食品、纺织、电子、环保等行业。 人类应用干燥技术的历史源远流长，我们的祖先在6 0 0 0 年前就开始运用干燥 技术制陶和晒盐。在现代化生产中，干燥技术的应用不仅仅是为了方便产品的储 藏、运输和使用，而且在提高产品的质量和价值、减轻劳动强度和环境污染、降 低成本和能源消耗等方面都能发挥巨大的作用。因此，发达国家都非常重视干燥 技术的应用。据资料记载，发达国家工业耗能的1 4 被用于干燥，而有些行业的干 燥耗能甚至占生产总耗能的3 5 1 1 】。 我国的干燥技术起始于建国初。上世纪7 哞代后，国内干燥技术的研究开发、 设备制造及生产应用有了较大进展。所开发研究的内容主要有气流干燥、沸腾干 燥、喷雾干燥及雾化装置、分离装置、多层流化床、离心流化床、红外干燥、远 红外干燥、静电干燥、微波干燥等等；在应用基础方面也结合或联系物料的干燥 过程，开展了上述各类干燥方式中不同物料的关键参数的研究，如流化速度、雾 化程度、干燥强度和各项操作指标的关系、能量的节约等；也对若干种干燥进行 了数学模拟、离散理论、优化方法、计算机调控，以及固体干燥过程中多孔介质 的传热传质研究等1 2 1 。 目前，干燥器的种类已达到4 0 0 多种，而且约2 0 0 多种干燥器已应用于工业化 生产。根据不同的条件有不同的分类方法。按干燥过程中热量传递形式的不同可 分为对流干燥、传导干燥和辐射干燥；按干燥物料排出的方式不同可分为批式、 连续式和循环干燥；按物料在干燥机中的运动形式不同可分为固定床、流化床、 喷动床和气流干燥；按气流和物料的运动方式不同可分为顺流式、逆流式、横流 式和混流式干燥：按物料在干燥过程中的压力不同可以分为常压干燥和真空干燥 等伪。其中流化床干燥有高效的传热传质、均匀的温度场、颗粒的大处理量、很宽 l 浙江工业大学硕士学位论文 的操作范围等优点，使得流态化技术在物理过程( 干燥、移热等) 、合成反应、 烃类加工等方面都得到了广泛的应用，并且仍有非常好的工业前景【4 】。 随着干燥技术的快速发展，脉动流化干燥技术( 即气流脉动流化干燥技术， 下同) 和温度脉动干燥技术在实际中得到了较好的应用。脉动流化干燥能够抑制 普通流化床中经常出现的气蚀、沟流、局部结块等现象，改善物料颗粒在气流中 的运动状态，有利于粘性物料和不容易流化物料的干燥。温度脉动干燥与恒温干 燥相比，能够提高产品品质，在某些实验条件下，还能节约能量。 1 2 课题的提出及研究意义 干燥技术在国民经济中具有重要的意义，在许多产业领域，都发挥着不可或 缺的作用。人们甚至可以通过观察一个国家在生产过程中采用现代干燥技术的程 度，衡量出这个国家国民经济发展水平。 随着我国经济的发展，各类产品的干燥对新型高效节能干燥设备的需求越来 越迫切，这推动了我国对干燥特性及其工艺的研究。许多新型的干燥设备也应运 而生。2 0 世纪6 0 年代开始，国外对脉动流化床的空气动力学特性、床层压力降和 干燥特性等进行了一些研究，但大都局限在试验研究上，国内在这一领域的研究 基本属于空白。 脉动干燥是指按一定的规律交替变化干燥工艺参数的干燥技术。按照有规律 变化的干燥参数的不同，可把脉动干燥分为如下几种类型 5 1 ： ( 1 ) 流速脉动干燥：作用于被干燥物料上的流体的流速按一定的规律交替变化 的干燥过程。例如气流脉动流化干燥、脉冲式气流干燥等。 ( 2 ) 温度脉动干燥：干燥介质的温度按一定的规律交替变化的干燥过程，如变 风温干燥。 ( 3 ) 能量场脉动干燥：施加于被干燥物料上的能量( 如声波、电磁波、远红外 照射等) 按一定的规律交替变化的干燥过程。 应用于气固干燥中的脉动流化干燥在实际中得到了较好的应用。脉动流化干 燥能够抑制普通流化床中经常出现的气蚀、沟流、局部结块等现象，改善物料颗 粒在气流中的运动状态，有利于粘性物料和不容易流化物料的干燥。它与传统的 2 浙扛工业大学硕士学位论文 流化床相比，具有适应物料的粒径范围较宽、传热传质速率高、节能效果明显等 优点。利用脉动流化原理对物料进行干燥，还能减小颗粒内部的温度梯度和水分 梯度。 变风温干燥技术的研究起始与上世纪7 0 年代。传统的变风温干燥一般有交变 风温干燥、缓苏间断干燥和高一低温组合变风温干燥。变风温干燥可以在保证产 品质量的前提下，除去产品内部水分。在定的干燥条件下，可以节约能量，防 止物料过热，特别适用于内阻大的湿物料。变风温干燥主要集中于对农作物如稻 谷、玉米、菜籽以及一些草药等的干燥。 在脉动流化干燥机上进行风温、风速的脉动流化干燥试验研究，对于进一步 探索脉动流化干燥过程规律以及开发新型脉动流化干燥机有较大的实际意义。 1 3 研究目的及主要内容 气流脉动流化干燥技术是一种先进的加工多相系的干燥方法，在实际中得到 了较好的应用。变风温干燥是最近二十年发展起来的一种新型干燥技术，主要应 用于谷物、菜籽等热敏性物料的干燥。在脉动流化床上同时实现温度、速度的脉 动，文献报道较少。 本论文在总结前人工作的基础上，研制了一种低频矩形波脉动气流发生装置。 在由该脉动气流发生装置组成的干燥机上，对一定粒度的颗粒进行脉动流化干燥 实验研究。实验由两部分组成。第一部分对粒径为3 3 5 7 咖的球形均质多孔颗 粒进行正交实验。分别考察颗粒粒径、高温气体的进风温度、气流速度、通气时 间及低温气体的进风温度、气流速度、通气时间对颗粒湿含量由4 1 降至1 6 所需 的干燥时间和单位能耗的影响。第二部分在第一部分的基础上进行一系列单因素 实验。考察在其它因素不变的条件下各因素对干燥速率、床层终温度和脱去单位 质量的水所需的能量( 单位能耗) 等的影响，并将脉动流化干燥与普通流化床干 燥进行比较。 论文最后部分对脉动流化干燥的理论模型进行修正，建立床层平衡温度回归 模型，并对所建立的模型进行验证。 3 浙江工业大学硬士学位论文 第二章文献综述 2 1 脉动流化干燥研究现状 2 1 1 脉动流化干燥的特点 脉动流化干燥，是指干燥装置中物料被气体所流化，且这种气流的速度按一 定的周期律( i t 弦波形、矩形波形等) 变化的干燥技术【6 】。 脉动流化干燥是一种先进的加工多相系的干燥方法。与传统的流化床干燥相 比，脉动流化干燥有以下优点o 】。 ( 1 ) 加工过程中，无论颗粒大小，都能实现气固间良好的接触。在较高气流速 度下，能有效地抑制较小颗粒的偏析现象，且对于异向性大的颗粒( 例如直径为 2 0 3 0 哪，厚度为1 5 3 5 柚的蔬菜) 也能良好流化； ( 2 ) 在脉动流化干燥中，气流的作用时间短、强度大，可以提高干燥强度，缩 小干燥机尺寸，减少热损失，有突出的节能效果( 可节省能量最高达5 0 9 6 ) ； ( 3 ) 在脉动流化干燥条件下，被干燥物料表面的非稳态传热传质提高了气固间 以及边界层与床层间的传热传质速率，并且可以改善床层结构( 抑制气蚀、沟流、 局部结块等现象，较好的粒子混合) ； ( 4 ) 可使压降降低( 约7 1 2 ) ，并且使最小流化速度减小( 约8 2 5 ) ； ( 5 ) 可实现浅床层操作。 其主要应用于对粘性物料、湿度较大物料和不易流化物料的干燥。 4 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 2 脉动流化干燥机的研究 脉动流化干燥设备及干燥技术的研究及其应用始于上世纪6 0 年代末。此后， 大量学者分别研究出了不同的脉动形式和脉动原理的脉动流化干燥装置。 1 9 7 9 年，波兰学者g a 、r z y n 出州申报了脉动流化床装置和用于脉冲流化床的脉 动发生器的专利，其三室脉动流化床装置的原理图如图2 1 ，脉冲发生器结构示意 图如图2 2 。 图2 - 1 三室脉动流化床装置原理图 黟碜 图2 2 脉冲发生器结构示意图 1 三孔通气盘2 气体分配盘3 轴承 4 壳体5 盖子6 压缩弹簧 g a w i z ”s k i 和保加利亚学者- e l e n k o v 等人【l l 】在此基础上进一步研制出了一种 旋转式脉动流化床干燥装置( 如图2 3 所示) 。 由图可以看出，普通流化床装置的多孔气体分布板的功能在这里用两个相互 独立的部分代替，即多孔支撑栅板和气流分配器。床层下气流的脉动频率取决于 径向孔的数目和旋转盘的转速，当旋转盘固定不动时，根据径向孔的数目，在床 层中形成一个或几个喷流，类似于喷动床的行为；当旋转盘的转速较低时，喷流 也在“旋转”，但是喷流与喷流之问的床层区域仍是不动的；当旋转盘转速较高 时，整个床层被流化，就像普通流化床一样。 与普通流化床和喷动床相比，旋转一脉动流化床的主要优点在于：在旋转盘的 喷嘴( 径向孔) 中形成的高速气流扫过整个床层的横截面，没有低速气流穿过的区 域。对于在整个床层横截面上恒定送风量的条件下，在床层中形成高流化速率的 5 浙江工业大学硕士学位论文 区域，这一特点优于普通流化床。当旋转盘转速较高时，床层移动，形成均匀化 床层，并且颗粒在床层中剧烈运动。利用些球形颗粒进行床层压降试验可以得 出，当频率超过某一个固定值( 2 h z ) ，整个床层就完成了由固定床向流化床的过渡。 床层压降与颗粒形状、大小以及脉动频率无关。 布器 图2 3 旋转式脉动流化床干燥器( 来o w t z y n s k i ，1 9 8 7 ) 德国科学家b u h l e r - m i a gg m b h 设计了种由简单的开关控制所形成的脉动流 化干燥器1 1 2 1 ，该干燥器结构示意图如图2 4 所示。这种流化床装置是在热空气气流 入口管道上安装一个二位蝶阀，通过双重阀门的旋转，叶片以9 0 0 置换来获得脉动 流化气体，使得穿过床层的瞬时表观气流速度可以从零变化至最大。这种设计大 大减少了单一振动所产生的负面影响。 图2 - 4 双层阀门的脉动流化床干燥器 6 浙江工业大学硕士学位论文 另一种基于流化干燥技术上的脉动流化床( 如图2 5 所示) ，融合了脉动 流化和气流变换的两个特点【l3 】( g a w r z y n s k ia n dg l a s t e r , 1 9 9 6 ；g a w r z y n s k i ， 1 9 8 9 ) 。该脉动流化床干燥器与传统的流化床相比，除了在支撑栅板下面的压 气室被垂直隔离分成了几部分之外，其余几乎完全相同 9 1 。热气流通过旋转的 分配阀后，进入到干燥器中，分配阀通过快速的旋转实现了周期的阻止和允 许气流进入到不同的压气室里面，进入压气室中的气流使得位于其上方的床 层部分形成流化。实际上，只要气体变换频率足够高的话( 6 - 1 2 h z ) ，由于气 体的可压缩性及床层的惯性，其床层可以达到完全流化。回转阀的优点是形 成接近正弦波型变化的气流，使得床层的变换趋于平稳。另外，经过特殊设 计的圆盘状气体分配器通过将连续的和脉动的气体叠加在一起，可以减少“后 压力”的影响，还可以使得流化变得更容易。 图2 5 脉动流化床干燥器 1 湿料入口2 活化腔3 废气出口4 成品出口5 ，脉动发生器 波兰学者j e z o ws k a 1 4 研究了另外一种脉动流化干燥器。其结构简图如图2 6 所示。该脉冲气流发生器主要由干燥室和气流分配器组成。干燥室的横截面为矩 形，侧面开有观察窗。分配器可以提供风压、风量均按周期性变化的热风。在干 燥室内不同部位装有温度传感器，用它们来测量物料温度的分布情况。 7 浙江工业大学硕士学位论文 图2 - 6 脉动流化床干燥器 1 干燥室2 毫米标尺3 温度计4 气流分配器 5 弹性导气管6 气流通道7 气流分布板8 观察孔9 皮带 俞厚忠是国内最早研究脉动流化干燥技术的学者之一。他研制了一种脉动流 化干燥器，其传热效率可提高1 5 一1 8 ，可节约流化介质能量2 0 9 6 - 3 0 ，并且提出： 脉动流化床的流化质量主要取决于流化介质的脉动频率、导通率( 脉动开启时间与 整个脉冲周期之比) 和流化介质的速率【l 习。 金国淼介绍了另外一种脉动流化干燥器，其工作原理是：在干燥器的下部均 布几根热风进气管，每根进气管上都装有快开阀门，这些快开阀门按一定的频率 和次序开启，当气流突然进入时，就会产生冲击气流，气流就会很快在颗粒间传 递能量。随着气流的进入，在短时间内物料就形成了一种剧烈的沸腾状态，使物 料和气体间进行强烈的传热传质，此沸腾状态在床内扩散并向上运动。当快开阀 门很快关闭后，沸腾状态在该方向上逐步消失，物料又回到静止状态，如此往返 循环进行脉动流化干燥 1 6 】。 为了避免单风道脉动流化干燥装置所产生的不良影响，王相友等人【6 】设计了双 风道脉动流化干燥机，其结构简图如图2 - 7 所示。该干燥机两个脉动气流发生器中 产生的脉动气流的相位差是9 0 0 ，可交替的对两干燥室的物料进行干燥。可调参数 有：气流脉动频率、风温、风量和气体分布板开孔率。 8 浙江工业大学硕士学位论文 图2 7 双风道脉动流化床干燥器 1 观察窗2 标尺3 测风口4 测温孔 5 阀门6 手动插板7 加热器8 风杌9 调速电机 王相友等人还在前人研究的基础上，分别研制出了5 硎一1 型和5 删- i i 型脉动流 化干燥机。 图2 85 1 埘- i 型脉动流化干燥机构简图 1 干燥室上部2 气流通道3 干燥室下部4 进气风机 5 出料口6 进气风机7 捧气风机8 湿物料入口 5 哦一1 是一种新型脉动流化干燥机堋，其结构简图如图2 8 所示。该干燥机通 过旋转阀分配器周期性遮断热空气流，并且引导它流向强制通风室的各个区段。 强制通风室位于常规流化床支撑筛板的下面。来自旋转分配器的气流周期性地驱 9 浙江工业大学硕士学位论文 动具有矩形横截面的斜坡型流床层。当气流流向下一个室时，该通风室对应的床 层的流化段几乎变成停滞状态。实际上由于气体的压缩性和床层的惯性，整个床 层能够很好流化。解决了气流旋转阀分配器的设计、脉动气流在干燥机床面上的 分布和流动方向、瞬时脉动气流速度的周期变化与床层物料状态的配合、物料在 床面上的运动和连续输送等问题。 他们在该脉动流化干燥机上研究了几种物料( 谷物、酒糟、蔬菜等) 在脉动流 化床中的基本流体力学特性。依据不同物料的特性，5 h m 一1 型脉动流化干燥机的 主要操作参数设定为：床层高度：0 1 0 4 m ：气流速度：0 7 1 9 m s ：床层压 降：5 0 0 1 9 0 0 p a ；气流脉动频率：2 8 1 - i z 。与气流干燥机和振动流化床干燥机相 比，该种干燥机不仅具有结构简单、重量轻、整机无振动件、床层压降小、干燥均 匀等优点，而且节能优势明显。 由于在实际应用中，5 h m - i 型脉动流化干燥机尚存在边缘处存在脉动流化“死 区”、干燥均匀性差，且阻碍物料的正常输送、脉动流化效果不够理想、沿程热量 损失和压力损失较大等问题。因此，他们针对上述问题，在原脉动流化床干燥机上 引入振动输送技术，迸一步研制成t 5 埘- i i 型脉动流化干燥机“8 - 2 3 。 5 h m - i i 型脉动流化干燥机主要由干燥箱体、脉动气流分配送风装置( 以下简称 气流分配器或分配器) 、振动辅助输送装置、导流装置、导料装置、风机、调速电 机以及加热装置等组成，其结构如图2 9 所示。设备采用传统的多层箱式结构，物 料由进料口加入干燥箱后，由于床层处于倾斜状态，加之气流的脉动作用和振动 输送装置的振动作用，使物料在进行脉动流化干燥的同时，向其前下方滑移，因 此可以实现连续干燥，生产效率较高。 该干燥机将分配器由箱外移到箱内，不仅简化了结构，减小了占地面积，更为 重要的是大大缩短了分配器至床层的距离。而脉动效果与分配器至床层的距离成 反比，热风在床层上分配的均匀程度与该距离成正比。采用内置式分配器进一步改 善了脉动效果。与5 唧一1 型脉动流化干燥机相比，脉动振动流化干燥机设计先进、 结构合理、实用性强、干燥速度快、热量消耗低、操作方便。 i o 浙江工业大学硕士学位论文 l 夕 = i l t 声 pir f ta 掣口【 ii 佐 z 一 j j jl i 、 i 6 (、l _ 一 日十吩 卅4脐姒 图2 - 95 1 1 m - i f 脉动流化干燥机简图 1 进料口2 干燥箱3 分配器4 导流装置5 出料口6 振动输送装置 7 风机8 加热装置9 调速电机1 0 传动链条1 1 立板1 2 导料装置 2 1 3 脉动气流发生装置研究 郝秀清、王相友等人矧分析了脉动气流发生器的工作原理及设计要求，对产生 脉动气流的两类机构凸轮机构和曲柄摇杆机构进行了运动分析。在此基础上，他 们还研究了一种用曲柄摇杆机构驱动的脉动气流发生器，该机构原理简图如2 1 0 所示。 5 l 向 图2 - 1 0 脉动气流发生器机构原理示意图 1 旋转阀轴2 旋转阀3 大带轮轴4 大带轮5 连杆6 扇片 工作时，电机驱动大带轮，大带轮4 作为曲柄摇杆机构的曲柄，通过连杆5 将它的运动传递给扇片6 ，带动旋转阀往复摆动，从而产生了脉动气流。在一个周 浙江工业大学硕士学位论文 期内，转阀的角速度为一随时间( 或原动件转角) 变化的量，旋转阀角速度的变化， 使风道内的气流比旋转阀恒速运动时的气流变化剧烈，强化了脉动效果，而气流的 脉动越强烈，热量的利用率越高，物料的干燥效率越高。 王相友等人【2 i 】设计了应用在5 珊卜一l 脉动流化干燥机上的气流发生装置。其结 构简图如图2 一l l 所示。气体首先进入分配器进气室，然后通过旋转圆盘上扇形孔 导入分配器头部的3 个室，头部被互成1 2 0 。的隔板分成3 个室，气流通过短管流 出分配器，通过输送管强制输送到干燥机的强制通风室，最后气流通过支撑筛板 和床层物料。旋转圆盘由电动机以不变的角速度驱动。在每个强制通风室中，气 流速度的变化是从零到最大又变到零，当旋转圆盘上的扇形孔与分配器头部的扇 形进气孔正好重叠时，该室气流速度达到最大。 圈2 - 1 1 气流旋转阀分配器结构图 1 干燥室上部2 床层物料3 支撑筛板4 强制通风室 5 输送管6 分配器7 隔板8 旋转圆盘9 电动机 1 0 传动带1 1 进气口1 2 进气室1 3 短管1 4 分配器头部 王相友等人n 叼还设计了应用在5 1 - 1 m 型脉动流化干燥机上的气流发生装置。 其脉动气流产生原理及结构简图分别如图2 - 1 2 、2 - 1 3 所示。 黟 浙江工业大学硕士学位论文 图2 - 1 2 脉动气流产生原理 图2 1 3 气流分配器结构简图 1 挡风板2 导流板3 传动轴 该气流分配装置由传动轴、导流板和挡风板组成。为保证热气流沿床层的长 度方向均匀分布，采用改变挡风板挡风面积的技术方案，即各挡风板面积自进风端 开始依次增大。两挡风板之间均装有一组互成1 2 0 。角的叶片，脉动装置每转动一 圈，叶片外缘将3 次打开或关闭箱体一侧的气流通道，即产生3 个气流脉冲。同样，在 箱体的另一侧，也将产生3 个气流脉冲，只是滞后6 0 。的相位角。 该气流分配装置内置于脉动流化干燥机内，与5 h m i 流化床干燥机分配器相 比，具有脉动效果好、节约能源和进一步改善脉动效果两方面优点。 2 1 4 脉动流化干燥操作特性研究 2 1 4 1 脉动气流波形 官国清等总结了脉冲波波形的两种形式，即正弦脉冲波和矩形脉冲波啪1 。其 各自的数学表达式如下： 矩黼一：2 i o o 。箸舅( 2 - 1 ， 矩形脉冲气流的数学表达式为： u “ ) 正弦波脉冲气流数学表达式为： 虬( f ) = u o s i n 牟n ( 2 2 ) 对于矩形波脉冲气流，脉冲干燥效果既与脉冲频率( 周期) 有关，又与脉冲 气流导通时间有关。当脉冲频率过快时，在上一周期的脉冲还没有落下时，下一 个脉冲气流又到来，这样容易形成不稳定流态化，颗粒在床层中运动剧烈；当导 通时间f 0 2 t 时，其产生的脉冲效果从理论上优于正弦波，且矩形波具有更大的 操作弹性。 浙江工业大学硕士学位论文 王相友研究的图2 - 1 1 气流发生装置产生的脉动气流单个室中瞬时速度如图 2 - 1 4 所示。 陟八一从 给 - 、一 ， 图2 - 1 4 强制通风室中瞬时气流速度曲线 强制通风室中的瞬时气流速度妇与旋转圆盘所处的位置角( 时间) 的函数关 系呈三角形。由于气流流过分配器时，有明显的阻力。因此，实际上瞬时气流速 度妇与时间的关系曲线不完全是三角形。实际气流速度如图2 - 1 5 所示。如曲线下 包含的面积与三角形的面积相近。 图2 1 5 单室中每个循环周期瞬时气流速度曲线 2 1 a 2 脉动气流速度 尹磊昌等人网在脉动流化干燥机上，对玉米进行了脉动流化干燥试验。试验 得出：风速以6 3 e s 为宜，当风速能够使床层物料产生脉动流化时，在这个风速下， 单位热耗最低，小时降水量最高，在此基础上改变风速，对传热传质不会有明显的 影响。 王相友等人1 6 对甜菜和小麦种子脉动流化干燥实验，实验得出随着风速的增 加，小时去水量和单位能耗也随之增加。风速的选取不宜过大。 柏雪源，程卫东 2 8 1 等人在周期变换气流式喷动床( 流化床) 上对小麦和甜菜 进行的研究得出：在最小喷动气流速度( 指床层表面开始产生喷动时的气流速度) 的基础上进一步提高气流速度对干燥过程影响很小。通过测量床层各部位的温度 差异，观察到当气流速度低于最小喷动气流速度时，物料的缓苏不充分；而当气 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 流速度过高时，中心区域的物料显著减少，干